光电探测器的放大电路

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1、第四章光电信号处理4.1光辐射探测过程的噪声4.2光电探测器的偏置电路4.3光电探测器的放大电路4.4微弱信号检测4.5锁定放大器4.6取样积分器4.7光子计数器14.3光电探测器的放大电路从光电探测器获取信号，除了要有必要的偏置电路外，还必须有耦合网络才能将探测器输出的信号送到后续的低噪声前放进行放大。这一节我们讲述耦合网络的类型，以及耦合网络的低噪声设计的原则。4.3.1耦合网络的低噪声设计原则2如图：Zs表示探测器和偏置电路形成的等效阻抗；Vs表示由探测器得到的信号电压；光电探测器及其偏置电路就可以看出一个内阻的Zs电动势为Vs信号源。3信号源与前放耦合的方式有下列五

2、种。（1）并联型：4（2）串联型：5（3）串并型：6（4）并串型：7（5）串并串型：8耦合网络除了要符合电子学的设计原则之外，从降低噪声提高输出端信噪比的角度来考虑和分析，为了尽量减少耦合网络带来的噪声，必须满足下列条件：（1）对于耦合网络中的串联阻抗元件（2）对于耦合网络中的并联阻抗元件En、In为前置放大器的En-In模型中En、In参量。9（3）为了减小电阻元件的过剩噪声，（过剩噪声是除了热噪声之外的一种由流过电阻的直流电流所引起的1/f噪声）必须尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直流压降。由于每一个元件都是一个噪声源，对系统的输出噪声都有贡献，因此为了减小输出

3、端的噪声，提高信噪比，应尽量采用简单的耦合方式。在可能的情况下，应采用直接耦合方式，从而消除耦合网络所带来的噪声。在迫不得已要采用耦合网络时，注意遵循上述原则。104.3.2多级放大器的噪声系数NF1,2,…n单级放大器噪声系数NFPni为输入端噪声功率，即源的噪声功率。Pn为放大器内部噪声在输出端的体现。Pn0为输出端总的噪声功率，Ap为放大器的功率增益。根据噪声系数NF的定义，可得到：当一个放大器的输入端Pni变化时，其NF也是随着变化的。11多级放大器的噪声系数：Pni为第一级输入端的输入噪声功率，也是整个系统的输入噪声功率。Pn1、Pn2、Pn3分别为各级所产生的噪

4、声功率，在各级输出端的体现。Ap1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。Pni多级放大器的噪声系数AP1Pn1NF1AP2Pn2NF2AP3Pn3NF3Pn0NF1,2,312由得：每个放大器单独和源相连接时，得到：13三级放大器级联成为一个放大系统，此系统的噪声系数:Pn为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体现:即：Ap为三级放大器的总的功率增益：14所以：对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为：这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式15多级放大器的噪声系数理论的Friis公式是Friis在1994年7月发表的，从这个公式可以看出：多级放大器噪声系数的大小，主

5、要取决于第一级放大器的噪声系数。为了使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的噪声系数，以及提高第一级的功率放大倍数Ap1，这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。16只考虑前放噪声的条件前放采取低噪声设计方法，且噪声匹配。满足级联低噪声条件反馈电路的低噪声条件串联负反馈，反馈合成电阻应远小于En/In。并联负反馈，反馈合成电阻应远大于En/In。17偏置电路的低噪声条件18194.3.3低噪声前放的选用在光电系统中，紧接着探测器后面的就是耦合网络和前置放大器；为了将探测器输出的微弱信号放大，必须合理地设计或选用低噪声前置放大器，以保证放大器的输入端和输出端有足够大

6、的信噪比。首先介绍低噪声前放的选用方法。20噪声系数NF是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它的噪声系数NF=1，而NF=10lg(NF)=0（dB）一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到0.05dB，甚至更低。生产厂商在出售低噪声前放时，都附有关的技术资料，其中就包括提供各种测试条件下的NF值。211.根据NF值来计算低噪声前放的等效输入噪声Eni，采用分贝表示的噪声系数：得：此式表明：如果已知前放的NF值，信号源的源电阻Rs及带宽Δf（在其中心频率f0附近）则放大器的等效输入噪声Eni即可求出。222根据

7、Eni和Vs来选用前放已知放大器等效输入噪声Eni的大小，将Eni和放大器输入端的信号Vs进行比较，就可判定这个放大器是否符合要求；一般是根据系统的（Vs/Eni）比值的要求来选定放大器的NF值。要注意的是NF值和Eni的大小都是和源电阻及带宽Δf密切相关的。其中带宽Δf是由系统的需要所确定的，并且是由系统中的某一部件，例如带通滤波器或者前放本身所决定的。23EniΔf，Rs放大器1NF=20dB放大器2NF=3dBRs=100ΩΔf=100HZ130nV18nVRs=100ΩΔf=1HZ13nV1.8nV例如有两